光伏發電系統在油田的應用分析

朱益飛周亮耿雷史紅芳

（1.中國石化勝利油田孤東采油廠；2.中國石化勝利油田技術檢測中心）

引言

太陽能是無公害潔凈能源，也是21世紀人類最有希望的能源[1]。油田開發屬于高能耗行業，開發利用可再生新能源、實施綠色低碳發展戰略，既是企業自身發展的客觀要求，也是更好地承擔起油田企業節能減排的社會責任[2]。近幾年，勝利油田加大資金投入，積極開展太陽能光伏發電系統在油田的應用與研究，利用可再生新能源替代傳統能源，取得良好的應用效果。

太陽能是一種新型的清潔能源，利用光伏太陽能技術具有以下幾方面的優點：不需要燃料，取之不盡用之不竭的太陽光就是能源；能源清潔，不會排放NOx、CO2等有害物質；不需要架設遠距離輸電線路，安全可靠；不需要繁瑣的操作，系統簡單、維護方便等。將光伏供電系統與石油工業相結合，兩者優勢互補、互相支撐，可以為社會創造可觀的經濟價值和環境效益。

1 光伏發電系統在油田的應用

目前，光伏太陽能技術在石油化工行業得到廣泛應用[3]。近幾年來，勝利油田先后在油氣管道閥室電源、油氣設施陰極保護、輸油管道電加熱、海上（鉆井、采油）平臺照明、油氣管道自控測控系統、LED路燈綠色照明系統、邊遠油井供電系統、油區道路監控系統和油井生產設備防盜報警系統等領域應用光伏太陽能技術。

1.1 油氣管道閥室電源

油氣管道閥室一般安裝在偏遠地區，難以獲得可靠電源。勝利油田設計利用光伏太陽能技術為油氣管道閥室系統供電，既可以減少電力線路鋪設的成本，又可以增加閥室供電系統的電力可行性。先后在川氣東送及錦州油氣管道項目中通過合理地配置光伏供電系統和適當提高系統配置可以安全、可靠、穩定地為油氣管道閥室供電。

1.2 油氣設施陰極保護電源

油氣儲運主要載體的使用壽命主要受電化學腐蝕的影響，目前解決原油儲罐和油氣管道電化學腐蝕的主要方法是采取犧牲陽極的陰極保護措施。光伏太陽能電源系統可以不受空間的限制，為強制電流保護系統提供穩定的電源。

1.3 輸油管道電加熱

原油管道輸油基本采用加熱輸送的方法，當所輸油品為重燃料油時，由于其黏度大，需要較高的加熱溫度。光伏太陽能系統可以設計為管道加熱站的輔助電源，可以有效地減少對火力發電的依賴，較為經濟。

1.4 海上（鉆井、采油）平臺照明

海洋石油鉆井平臺和采油平臺的突出特點是地理位置及空間限制，太陽能光伏系統可以為海上鉆井平臺和采油平臺提供照明、日常用電器及相關設備用電，可以為海洋鉆井和海上采油工作人員提供穩定、可靠的電力保障，減少對電網的依賴。

1.5 油氣管道自控測控系統

石油開采的主要設備大量分布在野外或海上，維護和管理費時費力。管道運輸是石油、天然氣最經濟合理的運輸方式。由于石油、天然氣與人們的日常生活關系越來越密切，并具有易燃、易爆和有毒性等特點，油氣管道的安全運行非常重要。油氣管道長期服役后，會因外部干擾、腐蝕、管材和施工質量等原因發生失效事故，導致火災、爆炸、漏油污染事件的發生，造成重大經濟損失、人員傷亡和環境污染。因此，采取多種有效措施，加強油田油氣管道的監控，強化各種油氣管道和設備的日常維護和定期檢測，對保障油田油氣運輸管線的安全生產起到極大的作用，具有重大的經濟價值和社會意義。石油相關設備及設施的遙測、遙控系統可節省大量的人力、物力，提高油田的生產效率。光伏太陽能系統可以為位于電力設施不完善的遠程測控設施提供電力。

1.6LED路燈綠色照明系統

太陽能LED路燈系統采用太陽能電池板系統供電，不需要鋪設復雜管線、電纜，具有節能、環保、使用壽命長等優點，是一種高效的綠色照明系統。系統主要由太陽能電池、充放電控制器、蓄電池、LED燈和燈桿等部分組成。系統不同工作狀態的控制轉換和相應的管理控制由基于單片機的充放電控制電路來實現。燈是油田泵站、庭院以及生活小區照明系統的重要組成部分，傳統的路燈常采用高壓鈉燈，高壓鈉燈整體上光效低的缺點造成了能源的巨大浪費。因此，積極開展油田新能源開發利用示范區建設，開發應用新型高效、節能、壽命長、顯色指數高、環保的LED路燈對照明系統節能具有十分重要的意義。

太陽能電池板是太陽能路燈的核心部分，太陽能電池板是帶有PN結的半導體器件，根據光生伏特原理，能將太陽光直接轉換成電能。LED作為環保節能型半導體光源，是太陽能路燈最為理想的光源，LED路燈中運用了功率電子技術，設計了驅動器，用于提供穩定的電源；同時設計了高效率增強以及超節能脈沖寬度調變（PWM）2種輸出模式，配合時間控制，可以在需要的時間段（上半夜）以高效率增強模式點亮太陽能LED路燈，提供良好的照明，而其他時間段（后半夜）則以超節能模式輸出，節約蓄電池的電力消耗，延長LED路燈工作時間。

LED路燈照明系統在油田泵站、庭院以及生活小區應用無論是環境條件和技術條件都是可行的，對油田而言是建設資源節約型和環境友好型社會的一項比較好的措施，對于具有年日照時間長、擁有良好的太陽能資源的油田來說，具有很好的推廣應用前景。

1.7 邊遠油井供電系統

太陽能發電，不僅能節約煤炭、石油、天然氣等一次性化石能源，還是清潔、無污染的可再生能源，屬于一次性投入長期收益的產業，是能源開發的新天地。對于邊遠油井供電系統，可充分利用太陽能光伏發電技術，既可采用并網光伏發電系統，也可采用離網光伏發電系統，滿足油井的生產要求。并網光伏電站由電池板方陣、并網逆變器計量開關組成，輸出與電力網品質相同的三相交流電。電站主要供油井抽油機和油井值房配套使用，發電量有盈余時，盈余電量上傳電網。離網光伏發電系統包括電池板方陣、太陽能離網逆變控制器、蓄電池。有陽光時電池方陣發電為蓄電池充電，夜晚時蓄電池經逆變器逆變為油井抽油機和油井值房配套系統供電。

1.8 油區道路監控系統

通過對油區各條交通路口交通信號燈實施節能技術改造，利用太陽能光伏電池板發電系統替代了原來的220V市電供電系統，實現道路交通信號燈傳統能源供電轉變為可再生太陽能供電；同時，利用太陽能光伏電池板發電系統，滿足現場實時視頻監控系統的供電要求，達到節約能耗的目的。

1.9 油井生產設備防盜報警系統

油田是沒有圍墻的工廠，油井各種生產設備都在野外，油井電力變壓器、控制箱等油井生產設備或井口原油被盜現象時有發生。開發應用一種以太陽能為動力源的新型油井防爆防盜報警裝置很有必要，該裝置由無線報警主機、防爆傳感器、防爆接線盒、太陽能電池板、太陽能專用蓄電池和智能控制器等部件組成。報警裝置采用全數碼無線信息傳輸技術，集信號探測、無線轉發報警信號等功能于一體。每口油井都配有防爆傳感器，傳感器與太陽能發射主機相連。當油井設備或井口原油被盜時，報警裝置發出報警信號，并以無線發射方式把信號傳到值班室主機，完成報警。

該報警裝置采用太陽能供電，沒有明線，供電及控制部分都放在防爆控制箱內。它既安全可靠且節能環保，又能有效避免次生隱患。

2 綜合效益分析

光伏太陽能技術是一項一舉多得的技術，前景廣闊，作為一種綠色清潔型能源，已經見到了良好的經濟效益和社會效益。僅以油田LED路燈綠色照明系統節能技術改造為例，2008年6月勝利油田某社區道路照明系統實施節能技術改造，改造前照明標準參照城市道路Ⅱ級次干道選取，機動車道平均照明度不小于30lux，均勻度等于0.4設計，照明負荷為三級，由6kV電網經變壓器變壓后，采用220V向各路燈單相供電，燈具采用雙側對稱布置，為半截光型，仰角12°，光源為高壓鈉燈T300W，安裝間距35m。經統計，高壓鈉燈泡、燈具、鎮流器、啟動器、電容器、熔斷器和燈桿均為870套。改造后，道路照明標準參照城市道路Ⅱ級次干道選取，機動車道平均照明度不小于30lux，均勻度等于0.35設計，光源為LED燈，并由獨立的光源系統供電，LED燈和光伏電源系統均為870套。

2.1 節能效益分析

該道路每天照明時間為10h，按每年365天計算，870套350W高壓鈉燈（含鎮流器損耗50W）一年共需消耗電量1111425kWh。

太陽能LED路燈的使用壽命為13.7年，則在13.7年內用太陽能LED路燈代替高壓鈉燈，可實現節電15226522.5kWh。若電價平均按0.9元/kWh計算，則該項目共可節約電費1370.387萬元。

可見，該節能項目的節能效益相當可觀。

2.2 高壓鈉燈與LED路燈成本對比分析

高壓鈉燈的使用壽命是10000h，LED路燈的使用壽命是50000h，按照每天10h照明計算，LED路燈可使用13.7年，是高壓鈉燈使用壽命的5倍。在LED路燈使用期內，其蓄電池需要更換4次，高壓鈉燈泡和鎮流器需要更換5次，考慮到目前高壓鈉燈和LED路燈及其附屬配件和價格因素，以現有價格計算，高壓鈉燈的投資使用成本是LED路燈的一半。

2.3 減排效益分析

按每千瓦時折合標準煤0.4kg計，每千瓦時所用煤排放二氧化碳0.997kg計，每千瓦時所用煤排放二氧化硫0.03kg計，排放二氧化碳指標國際交易價格6.67美元/t計，人民幣匯率（1美元兌換人民幣6.83元），排放二氧化碳指標國際交易價格折合人民幣45.56元/t，則項目每年的減排效益為5061.293元，項目運行13.7年的減排效益為69339.72元。

2.4 其他效益分析

根據有關統計，每節約1kWh電量，相應節約0.4kg標準煤，同時減少污染排放0.272kg碳粉塵、0.997kg二氧化碳、0.03kg二氧化硫、0.015kg氮氧化物。按照13.7年內節電15226522.5kWh計算，可節約6090.61t標準煤，同時減少污染排放4141.61t碳粉塵、15180.84t二氧化碳、456.8t二氧化硫和228.4t氮氧化物。

2.5 投資效益分析

電價按平均0.9元/kWh計算，該項目產生年直接節電效益為100.028萬元，則項目年合計總經濟效益（節電效益+減排效益）100.534萬元。

該項目總投資為800萬元，投資回報期為7.96年。

3 結束語

未來五年以至更遠的未來，隨著太陽能光伏技術的發展，勝利油田將更加廣泛地應用太陽能綠色清潔能源，更好地打造綠色低碳新優勢，樹立勝利油田在節能減排方面的良好形象。更可喜的是，國家“十二五”專項規劃已經對光伏太陽能技術給出了規劃目標，將其作為重點方向進行研究和開發利用，并給予相應的政策性扶持［4］。太陽能光伏技術的開發和規模化應用，是油田節能減排規劃的重要組成部分，也是油田實施綠色、低碳發展戰略的重要內容之一，勝利油田將與光伏太陽能技術相關企業合作，利用國內領先的光伏技術、生產工藝和系統集成經驗，在油氣田開發及油氣管道工程中將可再生新能源科技成果轉化為現實生產力，在共同合作研究開發應用的產業項目中獲得良好的經濟效益和社會效益。

[1]李國然.國際太陽能發電產業的新進展[J].電力需求側管理,2012,14(1):61-64.

[2]朱益飛.勝利油田全方位做好節能減排[J].電力需求側管理,2012,14(4):64.

[3]朱益飛.太陽能未來重要的綠色能源[J].中國新能源,2011,5(11):15-17.

[4]俞露.光伏市場曙光祥瑞[J].中國石化,2011,26(3):20-22.